ΛΙΠΙΔΙΑ ΒΙΟΛΟΓΙΚΕΣ ΜΕΜΒΡΑΝΕΣ
4η ομάδα βιομορίων Δεν είναι πολυμερή, αλλά σχηματίζουν συσσωματώματα Μεγαλύτερη δομική ανομοιογένεια, κοινό χαρακτηριστικό: υδρόφοβος χαρακτήρας Βιολογικοί ρόλοι: 1. Συστατικά κυτταρικών μεμβρανών 2. Αποθήκες ενέργειας 3. Ενδο- και διακυτταρική μεταγωγή σημάτων
Η ποικιλότητα των βιολογικών μεμβρανών προκύπτει από τα πολλά κοινά χαρακτηριστικά τους
1. Οι μεμβράνες έχουν δομή όμοια με εκείνη ενός λεπτού φύλλου, πάχους δύο μόνων μορίων, και σχηματίζουν ένα κλειστό σύνορο μεταξύ διαφορετικών διαμερισμάτων. Το πάχος των περισσοτέρων μεμβρανών είναι 60-100 Å. 2. Οι μεμβράνες αποτελούνται κυρίως από λιπίδια και πρωτεΐνες. Ο λόγος της μάζας πρωτεΐνης προς τη μάζα του λιπιδίου στις μεμβράνες κυμαίνεται μεταξύ 1:4 και 4:1. Οι μεμβράνες περιέχουν επίσης υδατάνθρακες. 3. Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι συγκριτικά μικρά μόρια τα οποία έχουν μία υδρόφιλη και μία υδρόφοβη ομάδα. Αυτά τα λιπίδια σε υδάτινο περιβάλλον σχηματίζουν αυθόρμητα κλειστά διμοριακά λεπτά φύλλα. Αυτές οι διπλοστοιβάδες λιπιδίων αποτελούν φραγμούς πολικών μορίων. 4. Συγκεκριμένες πρωτεΐνες επιτελούν τις χαρακτηριστικές λειτουργίες της κάθε μεμβράνης. Οι πρωτεΐνες λειτουργούν ως αντλίες, δίαυλοι, υποδοχείς, μεταγωγείς ενέργειας και ένζυμα. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι βυθισμένες στη διπλοστοιβάδα λιπιδίων, η οποία δημιουργεί το κατάλληλο περιβάλλον για τη δράση τους.
5. Οι μεμβράνες είναι μη ομοιοπολικά συγκροτήματα. Τα μόρια πρωτεϊνών και λιπιδίων που τις αποτελούν διατηρούνται ως δομημένο σύνολο μέσω των πολλών μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων οι οποίες είναι και συνεργειακές. 6. Οι μεμβράνες είναι ασύμμετρες. Οι δύο όψεις της κάθε μεμβράνης είναι διαφορετικές. 7. Οι μεμβράνες είναι ρευστές δομές. Τα λιπιδικά μόρια διαχέονται με μεγάλη ταχύτητα μέσα στο μεμβρανικό επίπεδο, όπως κάνουν και οι μεμβρανικές πρωτεΐνες, εκτός αν είναι αγκυροβολημένες μέσω ειδικών αλληλεπιδράσεων. Αντίθετα ούτε τα λιπίδια ούτε οι πρωτεΐνες μπορούν να περιστραφούν από τη μία όψη της μεμβράνης στην άλλη (εγκάρσια διάχυση). Οι μεμβράνες μπορούν να θεωρηθούν ως δισδιάστατα διαλύματα προσανατολισμένων λιπιδίων και πρωτεϊνών. 8. Οι περισσότερες κυτταρικές μεμβράνες είναι ηλεκτρικά πολωμένες, έτσι ώστε το εσωτερικό τους να είναι αρνητικό (-60 mv). Το μεμβρανικό δυναμικό παίζει πρωταρχικό ρόλο στη μεταφορά μορίων, στη μετατροπή ενέργειας και στη διεγερσιμότητα.
Τα λιπαρά οξέα είναι βασικά συστατικά των λιπιδίων
Λιπαρά οξέα Καρβοξυλική ομάδα Συνήθως απαντώνται σε εστεροποιημένημορφή Σε ανώτερους οργανισμούς C16 & C18 Άρτιος αριθμός ατόμων C Υδρογονανθρακική ομάδα
Σε ανώτερους οργανισμούς μόνο- ή πολύακόρεστα Διπλός δ. C9 C10: Δ 9 Πάντα cis διαμόρφωση κάμψη 30 ο στην υδρογονανθρακική αλυσίδα
ΦΩΣΦΟΛΙΠΙΔΙΑ (φωσφογλυκερίδια) είναι το κύριο συστατικό κυτταρικών μεμβρανών
Οι πιο κοινές αλκοολικές ομάδες των φωσφογλυκεριδίων Σερίνη Αιθανολαμίνη Χολίνη Γλυκερόλη Ινοσιτόλη
Φωσφατιδυλοχολίνη
Φωσφολιπάσες: υδρολύουν λιπαρά οξέα λυσοφωσφολιπίδια (απορρυπαντικά) Δηλητήριο φιδιών, μελισσών περιέχει φωσφολιπάση Α2
Οι μεμβράνες των αρχαιοβακτηρίων διαφέρουν από τις μεμβράνες των ευκαρυωτικών και των βακτηρίων: 1. Οι μη πολικές ομάδες συνδέονται με τον κορμό της γλυκερόλης μέσω αιθερικού δεσμού αντί εστερικού (είναι πιο σταθερός) 2. Οι αλκυλικές αλυσίδες είναι διακλαδισμένες 3. Η στερεοχημεία του κορμού της γλυκερόλης είναι αντεστραμμένη Μεμβρανικό λιπίδιο από το αρχαιοβακτήριο Methanococcus jannaschii
Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι δυνατόν να περιέχουν και υδατανθρακικές ομάδες: Γλυκολιπίδια
Τα πιο πολύπλοκα γλυκολιπίδια όπως οι γαγγλιοζίτες, περιέχουν μία διακλαδισμένη αλυσίδα με επτά το πολύ μονοσακχαρίτες. Τα γλυκολιπίδια είναι προσανατολισμένα σε τελείως ασύμμετρη κατανομή έτσι ώστε τα κατάλοιπα σακχάρου να βρίσκονται πάντοτε στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης.
Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι αμφιπαθή μόρια που περιέχουν μία υδρόφιλη και μία υδρόφοβη ομάδα Φωσφογλυκερίδιο Σφιγγομυελίνη Συμβολισμός φωσφολιπιδίου ή γλυκολιπιδίου Λιπίδιο αρχαιοβακτηρίου
Διάγραμμα διατομής ενός μικκυλίου από ιοντισμένα μόρια λιπαρών οξέων Διάγραμμα διατομής μιας μεμβρανικής διπλοστοιβάδας από μόρια φωσφολιπιδίου Η ευνοούμενη δομή για τα περισσότερα φωσφολιπίδια και γλυκολιπίδια σε υδατικό περιβάλλον είναι το διμοριακό λεπτό φύλλο παρά το μικκύλιο.
Η κάθε μονάδα έχει κωνικό σχήμα (η κεφαλή είναι μεγαλύτερη από την πλευρική αλυσίδα) Μικκύλιο
Η κάθε μονάδα έχει κυλινδρικό σχήμα (η κεφαλή είναι ίδια περίπου σε όγκο με την πλευρική αλυσίδα) διπλοστοιβάδα
Χωροπληρωτικό μοντέλο της διατομής από μια πολύ ρευστή φωσφολιπιδική μεμβρανική διπλοστοιβάδα
Ο σχηματισμός διπλοστοιβάδων αντί μικκυλίων από τα φωσφολιπίδια έχει κρίσιμη βιολογική σημασία. Ο σχηματισμός διπλοστοιβάδων λιπιδίων είναι μία γρήγορη και αυθόρμητη διεργασία. Η κινητήρια δύναμη είναι οι υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις Μεταξύ των υδρογοναθρακικών αλυσίδων ασκούνται ελκτικές δυνάμεις van der Waals Ηλεκτροστατικές δυνάμεις και δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των πολικών κεφαλών και των μορίων ύδατος από το περιβάλλον Επειδή οι διπλοστοιβάδες λιπιδίων διατηρούν τη συνοχή τους μέσω πολλών αλληλοενισχυόμενων μη ομοιοπολικών αλληλεπιδράσεων (κυρίως υδροφοβικές) είναι συνεργειακές δομές.
Οι υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις έχουν τρεις σημαντικές βιολογικές συνέπειες: 1. Οι διπλοστοιβάδες λιπιδίων έχουν την εγγενή τάση να είναι εκτεταμένες 2. Οι διπλοστοιβάδες λιπιδίων θα έχουν την τάση να ενώσουν τα άκρα τους ώστε να μην υπάρχουν εκτεθειμένες υδρογονανθρακικές αλυσίδες, πράγμα που σημαίνει ότι θα δημιουργείται με το κλείσιμο τους εν διαμέρισμα 3. Οι διπλοστοιβάδες λιπιδίων κλείνουν από μόνες τους, διότι κάθε οπή στη διπλοστοιβάδα δεν ευνοείται ενεργειακά
Λιπόσωμα Εσωτερικό υδατικό διαμέρισμα Μεμβρανική διπλοστοιβάδα
Υδαρή κοιλότητα Λιπόσωμα
Γλυκίνη σε Η 2 Ο φωσφολιπίδιο Έκθεση σε υπερήχους Παρασκευή λιποσωμάτων Διήθηση σε πηκτή Η γλυκίνη παγιδεύεται σε λιπιδικά κυστίδια
Πειραματική διάταξη για τη μελέτη επίπεδων μεμβρανικών διπλοστοιβάδων
Συντελεστές διαπερατότητας (Ρ) μιας λιπιδικής διπλοστοιβάδας σε ιόντα και μόρια
Μεμβρανικές Πρωτεϊνες Λιπίδια: διαμερισματοποίηση Πρωτεΐνες: όλες τις άλλες λειτουργίες και κυρίως μεταφορά χημικών ουσιών και πληροφορίας Συνήθως η περιεκτικότητα των μεμβρανών σε πρωτεΐνη είναι 50% Μυελίνη: 18% πρωτεΐνη Εσωτερικές μεμβράνες μιτοχονδρίων: 75% πρωτεΐνη
SDS-PAGE από Α: Ερυθροκύτταρα, Β: δίσκους ραβδίων αμφιβληστροειδούς, C: σαρκοπλασματικό δίκτυο μυικών κυττάρων
Οι πρωτεΐνες συνδυάζονται με τη λιπιδική διπλοστοιβάδα με μία ποικιλία τρόπων Ενσωματωμένες μεμβρανικές πρωτεΐνες (α, β, γ) που διασχίζουν την διπλοστοιβάδα, Περιφερειακές μεμβρανικές πρωτεΐνες (δ, ε)
Αλληλεπιδράσεις πρωτεϊνων με την μεμβράνη
Δομή της βακτηριοροδοψίνης κυτταρόπλασμα
Οι μεμβρανικές α-έλικες που διαπερνούν τη μεμβράνη είναι το πιο κοινό δομικό μοτίβο μεμβρανικών πρωτεϊνών. Η αμινοξική αλληλουχία της βακτηριοροδοψίνης. Οι επτά ελικοειδείς περιοχές έχουν σκιαστεί με κίτρινο ενώ τα φορτισμένα αμινοξέα με κόκκινο.
Μια πρωτεΐνη-δίαυλος μπορεί να σχηματιστεί από β-πτυχώσεις (πορίνη)
Αλληλουχία αμινοξέων της πορίνης
Συνθάση 1 της προσταγλανδίνης
Η βύθιση μέρους μιας πρωτεΐνης σε μία μεμβράνη μπορεί να συνδέσει την πρωτεΐνη με τη μεμβρανική επιφάνεια (συνθάση 1 της προσταγλανδίνης)
Συνθάση 1 της προσταγλανδίνης
ΔΡΑΣΗ ΑΣΠΙΡΙΝΗΣ: παρεμποδίζει σύνθεση προσταγλανδίνων, προστακυκλίνων Ακετυλιώνει (μεταφέρει μια ακετυλική ομάδα) Ser στη συνθάση 1 της προσταγλανδίνης PGH2 Άλλα μη στεροειδή αντιφλεγμονώδη (ibuprofen, acetaminophen) συνδέονται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου
Τα τμήματα των πρωτεϊνών τα οποία αλληλεπιδρούν με το υδάτινο περιβάλλον είναι πολύ υδρόφιλα. Οι δομές που βρίσκονται μέσα στη μεμβράνη είναι πολύ κανονικές και, συγκεκριμένα, όλοι οι δότες και δέκτες δεσμών υδρογόνου του πολυπεπτιδικού κορμού συμμετέχουν σε τέτοιους δεσμούς. Η αναίρεση ενός δεσμού υδρογόνου μέσα στη μεμβράνη δεν είναι καθόλου ευνοούμενη διότι υπάρχει πολύ λίγο έως καθόλου νερό για να ανταγωνιστεί τις πολικές ομάδες.
Μεμβρανικές άγκυρες: Ορισμένες πρωτεΐνες προσδένονται στις μεμβράνες μέσω ομοιοπολικά συνδεδεμένων υδρόφοβων ομάδων
Εντοπίζοντας την έλικα της γλυκοφερίνης που διαπερνά τη μεμβράνη Η γλυκοφερίνη, μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη, σχηματίζει ένα υδατανθρακικό κάλυμα γύρω από τα ερυθροκύτταρα
Αλληλουχία αμινοξέων και διαμεμβρανική τοποθέτηση της γλυκοφερίνης Α της ερυθροκυτταρικής μεμβράνης
Γραφική παράσταση υδροπάθειας για την πορίνη (δεν έχει α-έλικες)
Τα λιπίδια και πολλές διαμεμβρανικές πρωτεΐνες διαχέονται στο επίπεδο της μεμβράνης
Το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού Οι μεμβράνες είναι διαλύματα σε δύο διαστάσεις που αποτελούνται από προσανατολισμένες σφαιρικές πρωτεΐνες και λιπίδια. Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι ελεύθερες να διαχέονται μέσα στη θάλασσα λιπιδίων. Η πλευρική διάχυση των μεμβρανικών συστατικών μπορεί να είναι πολύ γρήγορη, η αυθόρμητη όμως περιστροφή των λιπιδίων από τη μία πλευρά της μεμβράνης προς την άλλη (εγκάρσια διάχυση) είναι πολύ αργή.
Ρευστότητα μεμβράνης πολύ σημαντική για διαδικασίες μεταφοράς ή μεταγωγής σήματος Θερμοκρασία τήξης Εξαρτάται από μέγεθος λιπαρών οξέων και βαθμό κορεσμού Τm -10 40C Τα βακτήρια ρυθμίζουν τη ρευστότητα των μεμβρανών τους μεταβάλλοντας τον αριθμό των διπλών δεσμών καθώς και το μήκος των αλυσίδων των μεμβρανικών λιπαρών οξέων
Η θερμοκρασία τήξης εξαρτάται από το μήκος των αλυσίδων των λιπαρών οξέων και το βαθμό κορεσμού τους Στεατικό, (C 18, κορεσμένο) Ελαϊκό, (C 18, ακόρεστου)
Η θερμοκρασία τήξης εξαρτάται από το μήκος των αλυσίδων των λιπαρών οξέων και το βαθμό κορεσμού τους
Η ρευστότητα των μεμβρανών ρυθμίζεται από την επί μέρους σύσταση σε λιπαρά οξέα και την περιεκτικότητα σε χοληστερόλη H 3 C C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 H O χοληστερόλη
Η χοληστερόλη διαταράσσει την πολύ σφιχτή στοίχιση των αλυσίδων των λιπαρών οξέων
Σε ζώα ρευστότητα μεμβράνης ρυθμίζεται από χοληστερόλη Διαφορετικό σχήμα σε σχέση με φωσφολιπίδια, διασπά τις αλληλεπίδρασεις των φωσφολιπιδίων παρεμποδίζει κρυστάλλωση Άκαμπτο σχήμα παρεμποδίζει κίνηση υδρογονανθρακής αλυσίδας «Πλαστικοποιητής» μεμβράνης
Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν διαμερίσματα τα οποία περιβάλλονται από εσωτερικές μεμβράνες.
Τα προκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν διαμερίσματα τα οποία περιβάλλονται από εσωτερικές μεμβράνες.
Τα πυρηνικό περίβλημα είναι μια διπλή μεμβράνη η οποία συνδέεται με ένα άλλο μεμβρανικό σύστημα των ευκαρυωτικών οργανισμών, το ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ).
Σχηματισμός κυστιδίου με ενδοκυττάρωση μέσω υποδοχέα
Απελευθέρωση νευροδιαβιβαστή
Οι πρωτεΐνες κατευθύνονται προς συγκεκριμένα κυτταρικά διαμερίσματα μέσω σηματοδοτικών αλληλουχιών.